NO853124L - Fremgangsmaate og system for boring av avviksbroenner. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår rotasjonsboring, og mer bestemt en avviksboringsteknikk for dannelse av avviksborehull ved betydelig større skråvinkler og/eller over horisontale strekning-er som er vesentlig større enn det som i dag oppnås ved konven-sjonell praksis ved avviksboring. Gjennomføring av slik avviksboring vil i første rekke være fordelaktig ved boreprosjekter til havs ettersom plattformkostnader er en hovedfaktor i de fles-te produksjonsoperasjoner til havs. Borehull med stor skråvinkel eller horisontal strekning innebærer et betydelig potensial for (1) utvikling av reservoarer til havs som ellers ikke ville bli betraktet som økonomiske, (2) utvinning av deler av reservoarer som for tiden ansees å ligge utenfor økonomisk eller teknologisk rekkevidde, (3) fremskynding av produksjon ved lengre intervall-er i produksjonsformasjonen på grunn av de sterkt skrånende hull, (4) behov for færre plattformer for utvikling av store reserovar-er, (5) gir et alternativ for undervanns-kompletteringer, og (6) boring under skipsleder eller til andre områder som for tiden er utenfor rekkevidde.

Avviksboring med stor skråvinkel er forbundet med en rekke problemer. Nærmere bestemt vil hull med skråvinkel på 60° eller mer, kombinert med lange hull-seksjoner eller kompliserte brønn-profiler innebære betydelige problemer som må overvinnes. Tyng-dekraften, friksjonskoeffisientene og avsetting av slampartikler er vesentlige fysiske fenomener man må ta hensyn til.

Når skråvinkelen øker vil den tilgjengelige tyngde for bevegelse av røret eller wire-strengen ned gjennom hullet avta med kosinus av skråvinkelen, og vekten som ligger an mot hullets nedside øker med kosinus av skråvinkelen. Kraften som motvirker strengens bevegelse er produktet av den tilsynelatende friksjonskoeffisient og summen av kreftene som presser strengen mot veggen. Ved en tilsynelatende friksjonskoeffisient på ca. 0,58 for vanlig vannbasert slam, vil borestrenger søke å gli inn i hullet ved skråvinkler opp til ca. 60°. Ved høyere skråvinkler vil borestrengen ikke synke på grunn av tyngden alene, og må skyves eller trekkes ad mekanisk vei, eller alternativt kan friksjonskoeffisientene minskes.

I henhold til foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en fremgangsmåte og et system for avviksboring der et awiks-borehull bores med et rotasjonsboreverktøy hvor en borestreng anvendes til å fremføre en borkrone gjennom jorden og et borefluid sirkuleres ned gjennom borestrengen og tilbakeføres fra borehullet i ringrommet som dannes rundt borestrengen.

Nærmere bestemt blir et vertikalt første parti av borehullet boret ned i jorden fra et sted på overflaten til et avvikspunkt omtrent ved nedre ende av et slikt første parti ved å rotere og fremføre en borestreng og borkrone i jorden. Et annet parti eller avviksparti av borehullet påbegynnes ved avvikspunktet. Et spesielt boreverktøy for boring av avvikspartiet i borehullet innføres i det vertikale første parti av borehullet. Slikt verk-tøy omfatter en borestreng, en borkrone, en motor for omdreining av borkronen, samt organer for skråstilling av borkronen i forhold til borestrengens aksialretning. Det avvikende andre parti bores, først ved å rotere borkronen med boremotoren og samtidig, men uavhengig, rotere borstrengen hver gang avvikspartiet skal gå i en rett bane, og deretter, ved å avslutte borestrengens rotasjon, velges orienteringen av borkronens skråretning i forhold til borestrengen for endring av avvikspartiets retning i en ønsket retning fra en rett bane, og deretter roteres bare borkronen med boremotoren for å frembringe den ønskede retningsendring fra den rette bane. Organene for skråstilling av borkronens rotasjonsakse kan være en bøyd subb (mellomstykke), et bøyd hus for boremotoren, eller eksentriske stabiliseringsrør eller en side-forskjøvet drivaksel ved boremotoren.Valget av orienteringen av borkroneaksens vinkelretning er avhengig av informasjonen fra det under boringen virkende målesystem som er beliggende ved nedre ende av borestrengen nær borkronen.

Når både borestrengen og borkronen roteres blir borkronen,

i henhold til et ytterligere aspekt, rotert med en lavere hastighet enn borkronen som er minst tilstrekkelig til å opprettholde en rett bane for boringen av borehullets avviksparti. Borkronens rotasjonsakse rettes i en vinkel som er tilstrekkelig til å frembringe et avvik fra borestrengens aksialretning for et borehull med en ønsket diameter.

Fig. 1 er et skjematisk riss av et avviksborehull som strekker seg inn i jorden og figuren viser en utføringsform av et rotasjons-boreverktøy som anvendes ved foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 er et skjematisk riss som viser boremønsteret for rota sjons-boreverktøyet vist på fig. 1; og Fig. 3 er et mer detaljert skjematisk riss av rotasjons-bore-verktøyet på fig. 1.

Denne oppfinnelse er rettet mot en rotasjons-boreteknikk for boring av avviks-borehull inn i jorden. Ved rotasjons-boreoperasjoner anvendes en borestreng som består av borerør, vekt-rør, og en borkrone. Borerøret er satt sammen av en rekke sømlø-se rørlengder som er sammenkoplet ved hjelp av koplinger som kal-les gjengemuffer. Borerøret virker til å overføre dreiemoment og boreslam fra en borerigg til borkronen og til å danne et strekk-element for å trekke borestrengen fra borehullet. Ved normale operasjoner er alltid et borerør trekkbelastet under bore-operasjoner. Borerørets utvendige diameter varierer vanligvis fra 8,89 cm til 12,70 cm (3 1/2" til 5"). Vektrør er tykkveggete rør sammenlignet med borerør og er således tyngre pr. lengdeenhet enn borerør. Vektrørene virker som stive elementer i borestrengen. Vektrørene er normalt montert i borestrengen umiddelbart over borkronen og virker til å tyngdebelastet borkronen.

Ved utførelse av rotasjons-boreteknikker anvendes en borerigg som benytter et rotasjonsbord for påføring av dreiemoment til toppen av borestrengen for å rotere borerøret og borkronen. Rotasjonsboret virker også som et basis-stativ på hvilket alle rør, så som borerør, vektrør og ffiringsrør er opphengt i hullet fra riggdekket. En kelly anvendes som et øverste rørelement i borestrengen og kellyen passerer gjennom rotasjonsbordet og påvir-kes av rotasjonsbordet for å påføre dreiemomentet gjennom bore-røret til borkronen. Slampumper anvendes for å sirkulere borefluid eller -slam mellom boreriggen og bunnen av borehullet. Normalt nedpumpes borefluidet gjennom borerøret og ut gjennom borkronen og tilbakeføres til overflaten gjennom ringrommet rundt borerøret. Borefluidet tjener slike formål som å fjerne borekaks fra borehullet, avkjøle borkronen, og smøre borerøret for å minske den nødvendige rotasjonsenergi. Ved komplettering av brønnen føres vanligvis f6ringsrør inn i denne og sementeres

med sikte på å avtette og holde f6ringsrøret på plass.

Ved boring av et avviks-borehull blir der fortrinnsvis boret et vertikalt, første parti av borehullet i jordskorpen fra et sted på overflaten til et avvikspunkt omtrent ved nedre ende av det første parti ved å rotere og fremføre en borestreng og borkrone inn i jordskorpen. Et annet parti eller avviksparti av borehullet påbegynnes ved avvikspunktet.

Bruken av foreliggende oppfinnelse ved boring av avviks-borehull skal nå beskrives i tilknytning til tegningen. I fig. 1 er vist et borehull 1 med et vertikalt første parti 3 som strekker seg fra jordoverflaten 5 til et avvikspunkt 7 og et avvikende annet parti 9 av borehullet som strekker seg fra avvikspunktet 7 til borehullbunnen 11. En kort f<5ringsrørstreng eller overfla-te-rørstreng 13 er vist i borehullet omgitt av en sementkasse 15. En borestreng 17 med en borkrone 19 i sin nedre ende er vist i borehullet 1.Borestrengen 17 består av borerør 21 og borkronen 19 og vil normalt innbefatte vektrør (ikke vist). Borerøret 21 består av rørlengder som er sammenkoplet enten ved konvensjon-elle eller eksentriske gjengemuffer 25 i det vertikale første parti 3 av borehullet og strekker seg i dettes åpne hullparti under f6ringsrøret 13 såvel som i det avvikende andre parti 9 av borehullet. Gjengemuffene 2 5 i det avvikende andre parti 9 av borehullet hviler på nedre side 27 av borehullet og understøtter borehullet 21 over borehullets nedre side 27.

Ved boring av borehullet blir borefluid (ikke vist) sirku-lert ned gjennom borestrengen 17, ut av borkronen 19, og tilbake via ringrommet 29 i borehullet til jordoverflaten 5. Borekaks som dannes ved oppbrytingen av jorden ved hjelp av borkronen 19, føres av det tilbakestrømmende borefluid i ringrommet 29 til jordoverflaten. Dette borekaks (ikke vist) har en tendens til å av-settes langs nedre side 27 av borehullet rundt borerøret 21.

De eksentriske gjengemuffer 25 som hviler på nedre side 27 av borehullet, understøtter borerøret 21 over det meste av dette borekaks. Under boreoperasjoner roteres borestrengen 17 og rotasjonen av de eksentriske gjengemuffer 25 fører til at borerøret 21 beveges eksentrisk i borehullet. Denne bevegelse av borerøret

21 søker å forflytte borekakset (ikke vist) fra nedre side av borehullet 27 inn i hovedstrømmen av det tilbakestrømmende borefluid i ringrommet 29, og særlig inn i den del av ringrommet som ligger rundt den øvre side av borerøret 21, der de lettere med-føres av det tilbakestrømmende borefluid til jordoverflaten.

Den bøyde subb 20, boremotoren 31 og borkronen 19 er beliggende ved nedre ende av borestrengen 21.Borkronen 19 roteres ved hjelp av boremotoren 31 uavhengig av eventuell rotasjon av borestrengen 17. Den bøyde subb 30 er en seksjon av borestrengen som er bøydd eller avvikende ved 32 fra borestrengens akse. På denne måte blir borkronens 19 rotasjonsakse vinkelforskjøvet fra borestrengens rotasjonsakse. Systemet 35 for måling under boring er beliggende umiddelbart over den bøydé subb 30. Rotasjon av både borestrengen 31 ved hjelp av den ved overflaten beliggende kelly 37 og borkronen 19 ved hjelp av boremotoren 31 frembringer en stort sett rett bane for det andre avviksparti 2 9 av borehullet. Retningen av dette andre avviksparti 29 måles og et signal som identifiserer denne retning sendes opp gjennom hullet til overflaten. For å endre denne retning avbrytes rotasjonen av borestrengen 21, orienteringen av den liøyde subb 30 innstilles for å gjeninnstille borkronen 19 i den ønskede retningsendring, og rotasjonen av borkronen 19 fortsettes bare ved hjelp av borkronen 31. Dette fører til en endring i retningen av borehullet fra den rette bane. Når denønskede retningsendring er fullført, som angitt av systemet for måling under boring, startes rotasjonen av borestrengen 21 på nytt.

Fig. 2 viser skjematisk en slik retningsendring av det andre avviksparti 9 av borehullet. Når både borestrengen 17 og borkronen 19 roteres, følger borehullet retningen til den rette bane 40, idet borehullets størrelse er vist med brutte linjer 42. Fortrinnsvis roteres borestrengen med forholdsvis lav hastighet, tilstrekkelig til både å opprettholde en rett bane og til å holde på et minimum friksjonstapet som følge av borestrengens gnidning mot borehullets underside. Slik rotasjonshastighet kan f.eks. være i området fra 10 til 2 5 omdreininger pr. minutt. Både lavere og høyere hastigheter kan imidlertid også være tilstrekkelig. Under en retningsendring med den bøyde subb orientert som vist med de brutte linjer 43, følger boringen banen 41 idet den opp-rinnelige borehullstørrelse er vist med de brutte linjer 44. Etter en slik retningsendring roteres igjen borestrengen 17 og borehullet av den størrelse som er vist med brutte linjer 42, fortsetter i den nye retning 41.

Et alternativ til bruken av den bøyde subb 30 for vinkelforskyvning av borkronens 19 rotasjonsakse fra borestrengens rotasjonsakse, er bruk av et bøyd hus for boremotoren 31. Et ytterligere alternativ er forskyvning av aksen til boremotorens 31 drivaksel. Et annet alternativ er bruk av ikke-konsentris-

ke stabiliseringsrør på boremotoren 31.

Ved retningsboring med stor vinkel, særlig skråvinkler stør-re enn 60° fra vertikalretningen, er det å bibeholde retningen og skråvinkelen for borehullet en vanskelig, kostbar og tidkrevende oppgave. Det er derfor meget viktig med presisjon når det gjel-der å holde nøyaktig kontroll med stor skråvinkel. En økning på bare 2° fra en skråvinkel på 80° til 82° for eksempel, med en effektiv friksjonskoeffisient på 0,1, kan minske den tilgjengelige borkronevekt fra et vektrør med en halvdel (fra en faktor på 0,075 til 0,040). Slik kontroll kan generelt opprettholdes ved et boreavvik på 1° eller mindre. I en utføringsform, som vist i fig. 3, gir den bøyde subb 30 en avviksvinkel 8 på 1/4^ fra borestrengens 17 vertikalakse og er i størrelsesorden 1,07 m i lengde. Borkronen 19 er en 31,22 cm borkrone. Boremotoren 31 er 19,69 cm Delta 1000 slam-motor som er 7,4 7 m lang. Stabiliseringsrør 50 og 51 er fullprofil-stabiliseringsrør. Stabiliseringsrøret 52 har en diameter på 27,30 cm og stabiliseringsrørene 53 og 54 har en diameter på 2 3,50 cm. Med en avstand på ca. 9,15 m fra bunnen av borehullet til den bøyde subbens 30 avvikspunkt og en avviksvinkel 8 på 1/4°, får man en boreforskyvning på ca. 3,81 cm fra borehullets senterlinje som vist i fig. 2. Andre avviksvinkler kan velges for å gi forskjellige boreforskyvninger. Passende vinkler er fra ca. 1/8° til ca. 1/2° ved avstander på 9,15 m til 3,05 m til den bøyde subbens 30 avvikspunkt.

Uansett hvordan man velger avviksvinklen 6, komponentlengder, og boreforskyvning, er det viktig å opprettholde en kontinuerlig side-inntrengning av borkronen i borehullets sidevegg under endringen av boreretning. Dersom slik inntrengning ikke opprettholdes med den bøyde subb liggende på borehullets nedside, må

den bøyde subb heves ved hjelp av stabiliseringsblad eller en ki-le eller ved hjelp av en bøyd subb med større vinkel for å oppnå en positiv inntrengningsfaktor.

Claims (23)

1. Fremgangsmåte for boring av et avviks-borehull i jorden ved hjelp av en rotasjons-boreteknikk der en borestreng anvendes for fremføring av en borkrone gjennom jorden og et borefluid sirkuleres ned gjennom borestrengen og tilbake fra borehullet inn i ringrommet som dannes rundt borestrengen, karakterisert ved at den omfatter: a) boring av et vertikalt første parti av borehullet i jorden fra et sted på overflaten til et avvikspunkt omtrent ved nedre ende av det første parti ved å rotere og fremføre en borestreng og borkrone i jorden, b) påbegynning av et avvikende annet parti av borehullet ved avvikspunktet, c) tilbaketrekning av borestrengen og borkronen fra det vertikale første parti av borehullet, d) innføring i det vertikale første parti av borehullet av et spesial-boreverktø y for boring av det avvikende andre parti av borehullet, hvilket spesial-boreverktø y består av en borestreng, en borkrone, en motor for rotering av borkronen, samt organer for å rette borkronen i vinkel i forhold til borestrengens aksialretning, e) boring av det avvikende andre parti av borehullet ved å rotere borestrengen hver gang det avvikende parti av borehullet skal være i en rett bane, og f) boring av det avvikende andre parti av borehullet ved å avslutte rotasjon av borestrengen og rotere bare borkronen med boremotoren hver gang det avvikende parti av borehullet skal end-res i retning fra den rette bane.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter organer for innstilling av orienteringen av borkronens vinkelretning i forhold til borestrengen under ret-ningsendringen av det avvikende parti av borehullet fra en rett bane.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at organene for å rette borkronen i vinkel i forhold til borestrengens aksialretning omfatter en bøyd subb som fester borkronen og boremotoren til nedre ende av borestrengen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at organene for å rette borkronen i vinkel i forhold til borestrengens aksialretning omfatter et bøyd hus for motoren.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at organene for å rette borkronen i vinkel i forhold til borestrengens aksialretning omfatter forskyvning av aksen til bormo-torens drivaksel.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at organene for å rette borkronen i vinkel i forhold til borestrengens aksialretning omfatter eksentriske stabiliseringsrør som er festet til den nedre ende av borestrengen.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at borestrengen roteres med en hastighet som er lavere enn borkronen som er minst tilstrekkelig til å holde en rett bane for boringen av avvikspartiet i borehullet.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at borestrengen roteres med en hastighet på minst 10 opm.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at borestrengen roteres med en hastighet i området fra 10 til 20 opm.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at borkronen er rettet i en vinkel som er tilstrekkelig til å gi en forskyvning av borkronen fra borestrengens aksialretning som gir et borehull med en ønsket diameter.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at borkronen rettes i en vinkel som ikke er større enn ca. 1° fra borestrengens aksialretning.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at vinkelen er i området fra 1/8 grad til 1/2 grad.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at borehullets avviksparti er minst 60° fra vertikalretningen.

14.F remgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at borkronen frembringer en kontinuerlig side- inntrengning av borkronen i borehullets sidevegg under endringen av boreretningen.

15. System for rotasjonsboring av et avviksborehull i jorden, karakterisert ved at det omfatter: a) en borestreng, b) en borkrone, c) en boremotor for rotasjon av borkronen uavhengig av borestrengens rotasjon, d) organer for å innrette borkronens rotasjonsakse slik at den er vinkelforskjø vet fra borestrengens akse, e) et måling-under-boringsystem for å gi en indikasjon på borehullretningen, f) organer som reagerer på måling-under-boring-systemet for rotasjon av borestrengen sammen med den uavhengige rotasjon av borkronen for å frembringe en rett bane for borehullet, og g) organer som reagerer på måling-under-boring-systemet for å avbrute rotasjonen av borestrengen og opprettholde bare rotasjonen av borkronen for å frembringe en endring i borehullets retning fra den rette bane.

16. System ifølge krav 15, karakterisert ved at organene for innretting av borkronens rotasjonsakse er en bøyd subb som fester boremotoren til nedre ende av borestrengen.

17. System ifølge krav 16, karakterisert ved at den bøyde subb skråstiller borkronens rotasjonsakse for å frembringe en kontinuerlig sideinntrengning av borkronen i borehullets sidevegg under endringen av boreretningen.

18. System ifølge krav 17, karakterisert ved at den bøyde subb innretter borkronens akse i en vinkel som ikke er mer enn 1 grad fra borestrengens akse.

19. System ifølge krav 17, karakterisert ved at borehullets skråner minst 60 grader fra vertikalretningen og at borkronen frembringer en kontinuerlig sideinntrengning i borehullets sidevegg under endringen av boreretningen med den bøyde subb beliggende på nedre side av det skrånende borehull.

20. System ifølge krav 15, karakterisert ved at den bøyde subb, måling under boresystemet, og borestrengen er sammenføyet ved hjelp av eksentrisk formede gjengemuffer.

21. System ifølge krav 20, karakterisert ved at borestrengen omfatter et antall eksentrisk gjengemuffe-sammenføyde borerø rseksjoner.

22. System ifølge krav 15, karakterisert ved at organene for å innrette borkronens rotasjonsakse omfatter et bøyd hus for boremotoren.

23. System ifølge krav 15, karakterisert ved at organene for å innrette borkronens rotasjonsakse omfatter forskyvningen av aksen til boremotorens drivaksel.